人教課標(biāo)實(shí)驗(yàn)版-必修二-機(jī)械能及其守恒定律-9.實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律“黃岡賽”一等獎

《實(shí)驗(yàn):驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律》導(dǎo)學(xué)案一、學(xué)習(xí)目標(biāo)1.理解實(shí)驗(yàn)的思路,明確測量的物理量。2.能正確地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。3.會根據(jù)紙帶測定下落的距離,掌握瞬時速度測量的方法。4.能根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。二、自主探究1.本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^研究物體下落過程中,能和能的變化來驗(yàn)證。2.實(shí)驗(yàn)原理:做自由落體運(yùn)動的物體,設(shè)質(zhì)量為m,下落高度為h時的速度為v,則減少的重力勢能為,增加的動能為.若兩個量在誤差允許的范圍內(nèi)相等,就驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律。3.速度的測量:做勻變速運(yùn)動的紙帶上某點(diǎn)的瞬時速度等于。4.本實(shí)驗(yàn)中,用到的實(shí)驗(yàn)器材主要有打點(diǎn)計(jì)時器及學(xué)生電源、、、重物、、帶鐵夾的鐵架臺、導(dǎo)線。三、合作探究（一）實(shí)驗(yàn)介紹1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。2.實(shí)驗(yàn)原理:本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自由落體運(yùn)動情形下的機(jī)械能守恒。思考1:選擇重物時,選輕一點(diǎn)的好還是重一點(diǎn)的好?為什么?思考2:本實(shí)驗(yàn)要不要測量垂物的質(zhì)量?3.實(shí)驗(yàn)器材:鐵架臺、打點(diǎn)計(jì)時器、學(xué)生電源、紙帶、復(fù)寫紙、重物(帶鐵夾)、毫米刻度尺等。（二）實(shí)驗(yàn)步驟1.按圖安裝實(shí)驗(yàn)器材,電源接4~6V學(xué)生電源.接通電源前,用手提升紙帶至重物靠近打點(diǎn)計(jì)時器處。2.先接通電源,再松開紙帶,讓重物自由下落.關(guān)閉電源,取下紙帶備用。3.重復(fù)步驟2兩次,打出3條紙帶。4.取點(diǎn)跡清晰,且第一、二點(diǎn)間距離接近2mm的紙帶進(jìn)行測量.先將第一點(diǎn)記為0點(diǎn),然后在紙帶上任取5個連續(xù)的點(diǎn)(或間隔點(diǎn)數(shù)相同的點(diǎn)),如下圖所示。5.驗(yàn)證0點(diǎn)到2點(diǎn)過程機(jī)械能守恒的方程為mgh2=m()2,其中t為1點(diǎn)到2點(diǎn)(或2點(diǎn)到3點(diǎn))之間的時間間隔,如果在誤差允許的范圍內(nèi)等式成立,實(shí)驗(yàn)就是成功的.同理,可以驗(yàn)證0點(diǎn)到3點(diǎn)過程、0點(diǎn)到4點(diǎn)過程的機(jī)械能是否守恒。6.拆下器材,放回原處。思考3:對于實(shí)際獲得的紙帶,如何判定紙帶上的第一個點(diǎn)就是紙帶剛開始下落時打下的呢?（三）數(shù)據(jù)處理與分析依據(jù)實(shí)驗(yàn),采集整理以下信息:數(shù)據(jù)序號下落高度hn/m瞬時速度vn/(m·s-1)減少的重力勢能mghn/J增加的動能/J234思考4:驗(yàn)證機(jī)械能守恒時可以回避起始點(diǎn)嗎(即處理紙帶時可以不用到起始點(diǎn)嗎)?我們可以選取A、B兩點(diǎn),比較它們的機(jī)械能EA和EB.若以點(diǎn)B為0勢能點(diǎn),則有:.

數(shù)據(jù)處理:Δh/mvA/(m·s-1)vB/(m·s-1)勢能減少量Ep/J動能增加量ΔEk/J1234通過本實(shí)驗(yàn),我們可以得到的結(jié)論:.

思考5:如何測量物體的瞬時速度?探究討論:速度能不能用v=或v=gt計(jì)算?圖象法處理數(shù)據(jù):誤差分析1.偶然誤差:測量長度時會帶來誤差.2.系統(tǒng)誤差:實(shí)驗(yàn)中重物和紙帶下落過程中要克服阻力(主要是打點(diǎn)計(jì)時器的阻力)做功,故動能的增加量ΔEk必定稍小于勢能的減少量ΔEp.（四）例題分析[例1]在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的一次實(shí)驗(yàn)中,質(zhì)量m=1kg的重物自由下落,在紙帶上打出一系列的點(diǎn),如圖所示(相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)時間間隔為,那么:(1)紙帶的(用字母表示)端與重物相連;

(2)打點(diǎn)計(jì)時器打下計(jì)數(shù)點(diǎn)B時,物體的速度vB=;(3)從起點(diǎn)P到打下計(jì)數(shù)點(diǎn)B的過程中物體的重力勢能減少量ΔEp=,此過程中物體動能的增加量ΔEk=;(g取9.8m/s2)(4)通過計(jì)算,數(shù)值上ΔEpΔEk(選填“<”“>”或“=”),這是因?yàn)?

(5)實(shí)驗(yàn)的結(jié)論是。[例2]在用打點(diǎn)計(jì)時器驗(yàn)證物體自由下落過程中機(jī)械能守恒的實(shí)驗(yàn)里,以下哪些步驟是必要的?請把它們選出,并將它們的字母代號按操作順序填在后面橫線上:。A.斷開電源,取下紙帶進(jìn)行測量、記錄B.將紙帶固定在重物上,并把它穿過打點(diǎn)計(jì)時器,提升到一定高度C.接通電源,釋放紙帶D.用天平測出重物的質(zhì)量E.把打點(diǎn)計(jì)時器固定在支架上,并接在交流低壓電源兩端F.用停表測出重物下落的時間[例3]在用自由落體運(yùn)動做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)中,用天平稱得重物的質(zhì)量為0.5kg,所用電源的頻率為50Hz,某同學(xué)通過正確的實(shí)驗(yàn)操作得到了一條理想的紙帶.紙帶上打出的點(diǎn)如圖所示(紙帶上的O點(diǎn)是第一個打印點(diǎn),A、B、C、D、E分別是每打兩個點(diǎn)的時間作為計(jì)時單位取的計(jì)數(shù)點(diǎn),圖中數(shù)據(jù)單位為毫米),已知當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹?.8m/s2.選擇B點(diǎn)為初始點(diǎn),D點(diǎn)為終點(diǎn),則從打下B點(diǎn)到打下D點(diǎn)的過程中,重物的重力勢能的減少量為J,重物動能的增加量為J。四、課堂檢測1.本實(shí)驗(yàn)中,除鐵架臺、夾子、低壓交流電源、紙帶和重物外,還需選用的儀器是()A.停表 B.刻度尺 C.天平 D.打點(diǎn)計(jì)時器2.在驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中,由于打點(diǎn)計(jì)時器兩限位孔不在同一豎直線上,使紙帶通過時受到較大阻力,這樣的結(jié)果會有()>mv2 <mv2=mv2 D.以上都有可能3.在驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中,下列物理量中需要直接測量的有()A.重物的質(zhì)量 B.重力加速度C.重物下落的高度 D.與重物下落高度對應(yīng)的重物的瞬時速度4.“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)采用重物自由下落的方法.(1)若實(shí)驗(yàn)中所用的重物質(zhì)量m=1kg,打點(diǎn)紙帶如圖所示,打點(diǎn)時間間隔為,則記錄B點(diǎn)時,重物的速度vB=,重物動能EkB=.從開始下落起至B點(diǎn),重物的重力勢能減少量是,因此可得出的結(jié)論是.(g取9.8m/s2)

(2)根據(jù)紙帶算出相關(guān)各點(diǎn)速度v,量出下落距離h,則以為縱軸,以h為橫軸畫出的圖線應(yīng)是下圖中的()5.某同學(xué)做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn),不慎將一條選擇好的紙帶的前面一部分損壞了,剩下的一段紙帶上的各個點(diǎn)間的距離如圖所示(單位:cm),已知打點(diǎn)計(jì)時器工作頻率為50Hz,重力加速度g取9.8m/s2.(1)利用這段紙帶說明重物機(jī)械能守恒;(2)試說明重力勢能的減少量ΔEp稍大于動能的增加量ΔEk的原因,并提出改進(jìn)意見。參考答案自主探究1.自由重力勢動機(jī)械能守恒定律mv23.這個點(diǎn)前后相鄰兩點(diǎn)間的平均速度4.紙帶復(fù)寫紙刻度尺合作探究一、實(shí)驗(yàn)介紹思考1:我們要求重物做自由落體運(yùn)動,而阻力是不可避免地存在的,為了減少阻力對實(shí)驗(yàn)的影響,應(yīng)采用密度較大的重物.思考2:由mgh=mv2可得出gh=v2,所以無須測量重物的質(zhì)量.如果實(shí)驗(yàn)要求計(jì)算勢能和動能的具體數(shù)據(jù),那就必須要知道重物的質(zhì)量.二、實(shí)驗(yàn)步驟思考3:若第一個點(diǎn)為紙帶剛開始下落時打下的,則該點(diǎn)與相鄰點(diǎn)間距離滿足h=gt2=××0.022m≈2×10-3m=2mm三、數(shù)據(jù)處理與分析思考4:EkA+mgΔh=EkB通過本實(shí)驗(yàn),我們可以得到的結(jié)論:EA和EB近似相等,從而驗(yàn)證機(jī)械能守恒.思考5:vB=做勻變速運(yùn)動的紙帶上某點(diǎn)的瞬時速度等于相鄰兩點(diǎn)間的平均速度.探究討論:(1)用v=這種方法是根據(jù)機(jī)械能守恒定律得到的,而我們的目的就是驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,所以不能用.(2)v=gt這種方法認(rèn)為加速度為g,由于各種摩擦阻力不可避免,所以實(shí)際加速度必將小于g,這樣將得到機(jī)械能增加的結(jié)論,有阻力作用機(jī)械能應(yīng)該是減少的,故這種方法也不能用.四、例題分析[例1](1)P解析:與重物相連的紙帶一端應(yīng)該先打出點(diǎn),先打出點(diǎn)的速度較小,從紙帶圖上可以看出是P點(diǎn).(2)0.98m/s(3)J(4)>有機(jī)械能損失(5)在誤差允許范圍內(nèi),重物下落時機(jī)械能守恒[例2]EBCA[例3]課堂檢測4.解析:(1)由vB=,ΔEkB=,ΔEpB=mghOB得:vB=0.59m/s,ΔEkB≈,ΔEpB≈.在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi),重物動能的增加等于重物重力勢能的減少.(2)由mv2=mgh,得v2=gh,所以h的圖象應(yīng)是一條過原點(diǎn)的傾斜的直線,直線斜率等于g,故C圖正確.答案:(1)0.59m/s在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi),重物動能的增加等于重物重力勢能的減少(2)C5.解析:(1)利用平均速度等于這段時間中點(diǎn)時刻的瞬時速度的公式,可求出v